Een nieuw type antenne in zakformaat, ontwikkeld in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, kan mobiele communicatie mogelijk maken in situaties waar conventionele radio's niet werken, zoals onder water, door de grond en over zeer lange afstanden door de lucht.

Het apparaat zendt zeer laagfrequente (VLF) straling uit met golflengten van tientallen tot honderden kilometers. Deze golven reizen lange afstanden voorbij de horizon en kunnen omgevingen binnendringen die radiogolven met kortere golflengten zouden blokkeren. Terwijl de krachtigste VLF-technologie van vandaag gigantische zenders vereist, deze antenne is slechts tien centimeter lang, dus het kan mogelijk worden gebruikt voor taken die een hoge mobiliteit vereisen, inclusief reddings- en verdedigingsmissies.

"Ons apparaat is ook honderden keren efficiënter en kan sneller gegevens verzenden dan eerdere apparaten van vergelijkbare grootte, " zei Mark Kemp van SLAC, hoofdonderzoeker van het project. "De prestaties verleggen de grenzen van wat technologisch mogelijk is en zetten draagbare VLF-toepassingen, zoals het verzenden van korte sms-berichten in uitdagende situaties, binnen bereik."

Het door SLAC geleide team rapporteerde vandaag hun resultaten in Natuurcommunicatie .

Een flinke uitdaging

In de moderne telecommunicatie, radiogolven transporteren informatie door de lucht voor radio-uitzendingen, radar- en navigatiesystemen en andere toepassingen. Maar radiogolven met een kortere golflengte hebben hun grenzen:het signaal dat ze uitzenden wordt zwak over zeer lange afstanden, kan niet door water reizen en wordt gemakkelijk geblokkeerd door rotslagen.

In tegenstelling tot, door de langere golflengte van VLF-straling kan het honderden meters door grond en water reizen en duizenden kilometers voorbij de horizon door de lucht.

Echter, VLF-technologie brengt ook grote uitdagingen met zich mee. Een antenne is het meest efficiënt wanneer zijn grootte vergelijkbaar is met de golflengte die hij uitzendt; De lange golflengte van VLF vereist enorme antenne-arrays die zich kilometers ver uitstrekken. Kleinere VLF-zenders zijn veel minder efficiënt en kunnen honderden kilo's wegen, hun beoogde gebruik als mobiele apparaten te beperken. Een andere uitdaging is de lage bandbreedte van VLF-communicatie, die de hoeveelheid gegevens die het kan verzenden beperkt.

De nieuwe antenne is ontworpen met deze problemen in het achterhoofd. Het compacte formaat zou het mogelijk maken om zenders te bouwen die slechts een paar kilo wegen. In tests die signalen van de zender naar een ontvanger op 100 voet afstand stuurden, de onderzoekers toonden aan dat hun apparaat 300 keer efficiënter VLF-straling produceerde dan eerdere compacte antennes en gegevens verzonden met bijna 100 keer grotere bandbreedte.

"Er zijn veel spannende potentiële toepassingen voor de technologie, "Zei Kemp. "Ons apparaat is geoptimaliseerd voor communicatie over lange afstand via de lucht, en ons onderzoek kijkt naar de fundamentele wetenschap achter de methode om manieren te vinden om de mogelijkheden ervan verder te verbeteren."

Een mechanische antenne

Om VLF-straling te genereren, het apparaat maakt gebruik van wat bekend staat als het piëzo-elektrische effect, die mechanische spanning omzet in een opeenhoping van elektrische lading.

De onderzoekers gebruikten een staafvormig kristal van een piëzo-elektrisch materiaal, lithiumniobaat, als hun antenne. Toen ze een oscillerende elektrische spanning op de staaf aanbrachten, trilde het, afwisselend krimpen en uitbreiden, en deze mechanische spanning veroorzaakte een oscillerende elektrische stroom waarvan de elektromagnetische energie vervolgens werd uitgezonden als VLF-straling.

De elektrische stroom komt voort uit elektrische ladingen die op en neer de staaf bewegen. In conventionele antennes, deze bewegingen zijn ongeveer even groot als de golflengte van de straling die ze produceren, en compactere ontwerpen vereisen doorgaans afstemeenheden die groter zijn dan de antenne zelf. De nieuwe aanpak, anderzijds, "stelt ons in staat om op efficiënte wijze elektromagnetische golven op te wekken met golflengten die veel groter zijn dan de bewegingen langs het kristal en zonder grote tuners, daarom is deze antenne zo compact, ' zei Kemp.

De onderzoekers vonden ook een slimme manier om de golflengte van de uitgezonden straling aan te passen, hij zei:"We veranderen herhaaldelijk de golflengte tijdens bedrijf, waardoor we met een grote bandbreedte kunnen zenden. Dit is essentieel om gegevensoverdrachtsnelheden van meer dan 100 bits per seconde te bereiken, genoeg om een ​​eenvoudige tekst te verzenden."